Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs
Le stockage capacitif
Responsables : Patrice Simon (CIRIMAT) et Thierry Brousse (IMN)

Le groupe « Stockage Capacitif » du RS2E travaille sur la conception de nouveaux matériaux / architectures d’électrodes pour améliorer la densité d’énergie des supercondensateurs. La densité d’énergie étant proportionnelle à la capacité multipliée par le carré de la tension, les travaux sont centrés autour de la mise au point i) de nouveaux matériaux à capacité exaltée (carbones, oxydes, nitrures…), ii) de nouveaux électrolytes à tension élevée (milieu neutre concentré, mélanges de liquides ioniques…) et iii) de nouvelles architectures hybrides par couplage avec une électrode de batterie. Une approche de modélisation des mécanismes de stockage est développée en partenariat avec le groupe « Théorie ». L’ensemble des travaux s’inscrit dans le cadre des grands axes détaillés ci-dessous.

Au niveau des supercondensateurs à base de carbone, les travaux sont orientés vers la synthèse de carbones nanoporeux avec des propriétés texturales (taille de pores, surface spécifique…), structurales (conductivité) et chimie de surface contrôlées.La compréhension des mécanismes d’adsorption des ions dans ces carbone est également étudiée, en s’appuyant sur différentes techniques électrochimiques et techniques de caractérisations in-situ (diffraction/diffusion X, RMN, …). Les carbones à porosité hiérarchique (micro/mésoporeux), les carbones exohédraux (carbones onions, nanotubes) sont également étudiés pour la mise au point de micro-systèmes (micro-supercondensateurs), en partenariat avec la thématique « smart materials ». Une autre partie de ce travail est consacrée à la caractérisation des groupes de surface du carbone et à leur influence sur les caractéristiques électrochimiques. Ces groupes peuvent être volontairement introduits par greffage moléculaire de composés actifs pour augmenter la capacité ou être présents sous forme d’impureté.

La synthèse et la caractérisation de matériaux pseudo-capacitifs est un autre axe de recherche fort du groupe Stockage Capacitif. Les oxydes métalliques (oxydes de Mn, Co, Fe…) fonctionnant en milieu aqueux sont particulièrement étudiés du fait de leurs capacités élevées et de l’alternative qu’ils offrent aux systèmes opérant en milieu organique. Le développement de ces matériaux passe par une meilleure compréhension du mécanisme de stockage des charges, accessible en couplant des méthodes de caractérisations électrochimiques structurales in-situ à la modélisation multi-échelle.  Dans cet esprit, développer l’ingénierie des matériaux en recombinant des feuillets d’oxydes lamellaires pour synthétiser des oxydes mixtes combinant des propriétés complémentaires – par exemple sur des substrats poreux - est un axe de recherche prometteur qui sera développé. Un autre type de matériaux pseudocapacitifs a récemment montré des performances électrochimiques compatibles avec des applications en supercondensateurs : ce sont les nitrures métalliques. Ces matériaux, synthétisés en couche mince, sont étudiés principalement dans des applications micro-supercondensateurs.

L’augmentation de la plage de température de fonctionnement – en milieu aqueux ou organique - est une autre problématique majeure des supercondensateurs ; ce point fera l’objet d’études spécifiques.

Le groupe Stockage capacitif est composé des laboratoires suivants :

CIRIMAT (Toulouse), ICMCB (Bordeaux), ICGM (Montpellier), IMN (Nantes), IS2M (Mulhouse), LCMPC (Chimie Paris Tech), IEMN (Lille). Il travaille en interaction forte avec le groupe Théorie (IRCP,Paris),  et les plateformes de caractérisations (LRCS, Amiens ; CEMTHI, Orléans…).